O documento discute o gerenciamento de memória em sistemas computacionais. Explica que a estrutura básica de um computador proposta por Von Neumann é composta por processador, memória e dispositivos de entrada/saída. Também descreve as arquiteturas de Princeton e Harvard e como o gerenciamento de memória é necessário devido à defasagem entre velocidades de processadores e memórias e o alto custo desta.

1. MATÉRIA: SISTEMA OPERACIONAL (S.O)
PROFESSOR: ARMANDO RIVAROLA, LICENCIADO EM
COMPUTAÇÃO

2. GERENCIAMENTO DE MEMÓRIA
 Antes de definirmos o que é o gerenciamento de
memória, devemos primeiro considerar a estrutura
dos computadores, tal como proposta no final da
década de 1930 por John Von Neumann,
matemático húngaro erradicado nos EUA, que
trabalhava na Universidade de Princeton:
 Um computador é composto de três partes
fundamentais: o processador, os dispositivos de
entrada/saída e a memória.

3.  Através desta estrutura, ilustrada na Figura 4.1,
Von Neumann mudou radicalmente o conceito do
computador, afirmando que o programa deveria ser
armazenado na memória junto com os dados,
transformando as sofisticadas máquinas de
calcular existentes em uma nova espécie de
máquina, completamente diferente, mais genérica
e capaz de lembrar sequências de comandos
previamente fornecidas, executando-as fielmente.
 Este novo conceito permitiu construir-se
computadores capazes de executar diferentes
sequências de instruções sem a alteração de seu
hardware, o que não acontecia com as antigas
máquinas de calcular gigantes.

4.  Mas duas vertentes surgiram praticamente na
mesma época, direcionando diferentemente a
arquitetura de sistemas computacionais baseados
em memória. Conforme forma organizados,
receberam o nome de arquitetura de Von Neumann
ou arquitetura Princeton.
Figura 4.1: Arquitetura Princeton

5.  Os pesquisadores da Universidade de Harvard
propuseram uma arquitetura ligeiramente diferente
da proposta inicial de Von Neumann, onde existiam
dispositivos de memória distintos para o
armazenamento de dados e programas (veja a
Figura 4.2).
 O grande diferencial é que a arquitetura de
Princeton possui um único barramento para
transferência de dados e instruções entre memória
e processador enquanto que a arquitetura de
Harvard possui dois barramentos, cada um ligando
o processador aos dispositivos de memória de
dados e programas respectivamente.
 Apesar da arquitetura de Harvard ser
potencialmente mais eficiente, a simplicidade da
arquitetura Princeton predominou com o passar
dos anos.

6. Figura 4.2: Arquitetura Harvard

7.  Apesar destas duas arquiteturas serem conceitos
revolucionários para a época, existia um grave
problema: não se dispunha de tecnologia suficiente
para construção de dispositivos eletroeletrônicos
que funcionassem como memórias.
 Quando Von Neumann propôs o computador como
uma máquina capaz de memorizar e executar
sequências de comandos, já existia tecnologia para
implementar-se os primeiros circuitos
processadores e também os dispositivos básicos
de entrada e saída, mas não se sabia como
construir circuitos de memória.

8.  Se passaram vários anos até que uma primeira
implementação satisfatória de um circuito de
memória permitisse construir um computador
conforme sugerido por Von Neumann. Isto explica
a origem de um defasagem tecnológica, até hoje
não superada por completo, entre memórias e
processadores.
 O próprio termo core memory, utilizado para
designar a memória primária ou principal, tem sua
origem nos primeiros dispositivos de memória
construídos com pequenos núcleos magnetizáveis
de ferrete interligados matricialmente por uma
delicada fiação de cobre, onde cada núcleo
armazenava um único bit.

9.  Tipicamente tem-se que os processadores são
capazes de ler e principalmente escrever mais
rápido do que os circuitos de memória do mesmo
nível tecnológico. Isto usualmente força uma
determinada espera por parte dos processadores
quando ocorre a troca de informações com a
memória.
 Estes tempos de espera são conhecidos como wait
states. Este problema não seria tão grave se a
interação entre processador e memória não
constituísse a própria essência do funcionamento
dos computadores baseados na arquitetura de Von
Neumann.

10.  Na arquitetura de Von Neumman o processador
exibe o seguinte comportamento (como ilustrado
na Figura 1.3) enquanto estiver ativo são repetidas
as ações seguintes:
 busca de uma instrução (ciclo de fetch ou opcode
fetch);
 decodificação da instrução (ciclo de instruction
decode); e
 execução da instrução (ciclo de instruction
execution).

11. Figura 1.3: Funcionamento básico dos processadores
Arquitetura de Von Neumman.

12.  Notamos que o ciclo de fetch é basicamente uma
operação de leitura da memória, sendo o ciclo de
decodificação interno ao processador, enquanto o
ciclo de execução pode realizar tanto operações
internas ao processador como também operações
de leitura ou escrita na memória.
 Apesar das dificuldades encontradas, a arquitetura
computacional baseada nos três elementos básicos
(processador, memória e dispositivos de
entrada/saída) ainda se mostra a melhor que
existe, principalmente quando se inclui nela todos
os avanços tecnológicos destes últimos 1950 anos.

13.  Hoje temos que, em consequência da mencionada
defasagem tecnológica e dos problemas inerentes
a construção de dispositivos de memória, o custo
relativo entre memória e principalmente o
processador faz com que a memória represente
uma parcela bastante significativa de um sistema
computacional, parcela esta que se torna ainda
mais significativa quanto mais sofisticado é tal
sistema (usualmente são sistemas de alto
desempenho).
 É muito importante ressaltarmos que, quando se
fala em memória, estamos nos referindo aos
circuitos que trocam dados diretamente com o
processador durante o ciclo de execução de seus
comandos mais básicos, ou seja, a memória
primária ou armazenamento primário.

14.  Os dispositivos de armazenamento secundário, isto
é, os dispositivos de memória de massa tal como
fitas, cartuchos e disco magnéticos (fixos ou
removíveis) não devem ser confundidos com a
memória básica do computador.
 A memória dita primária possui interação direta
com o processador, isto é, fica diretamente
conectada aos seus barramentos.
 Já os dispositivos chamados de memória
secundária necessitam de alguma circuitaria ou
mesmos mecânica extra para que os dados
presentes no barramento do processador sejam
gravados em suas mídias e vice-versa.

15.  Resumidamente, justificamos a necessidade do
gerenciamento de memória pelos três fatores
relacionados a seguir:
 A memória primária é um dos elementos básicos
da arquitetura computacional atual.
 Dado que a velocidade de suas operações de
leitura e escrita serem mais baixas que a
correspondentes velocidades dos processadores e
ainda seu custo ser mais elevado, exige-se seu uso
cuidadoso.
 Como todo processo utiliza memória primária, ao
gerenciarmos memória estamos indiretamente
gerenciando os processos.

16. EXERCÍCIOS
1) Precisamos gerenciar memória por três fatores,
quais sãos eles?
2) A arquitetura computacional é baseada em três
elementos básicos , quais são eles?
3) Na arquitetura de Von Neumman o processador
exibe o seguinte comportamento (como ilustrado
na Figura 1.3) enquanto estiver ativo são repetidas
três ações, quais são elas?
4) Faça o desenho da Arquitetura Princeton.